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膜蒸馏(membrane distillation,MD)是将传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合,以疏水性微孔膜两侧蒸汽压差作为传质推动力的新型膜过程。在废水资源化、节能减排方面具有巨大的应用潜力,但高能耗、高耗水量一直是限制其发展及规模化应用的关键问题之一。因此如何优化过程设计,实现高效节能,成为当前MD研究的重要课题。
本文针对减压膜蒸馏(VMD)过程能耗高,蒸汽冷凝耗水量大的问题,设计了减压多效膜蒸馏过程(MEMD)。从主蒸发区产出的蒸汽,依次通过换热器-膜组件-换热器-膜组件-换热器与逆向流动的原料液进行换热并被降温,回收蒸汽潜热的同时,也减少了冷凝水的用量。
在MEMD膜蒸馏过程中,实验研究了换热器的蒸汽冷凝、系统真空度对VMD过程的影响;探索了主蒸发区膜面积、多效蒸发区换热器壳程进液流量及真空泵抽气量对MEMD过程的影响。当主蒸发区膜面积为0.1m2,真空泵型号为2XZ-2(抽速为2L/s)时,当量膜通量较相同主蒸发区真空度下VMD的膜通量高22.3%。采用抽气量更高的2XZ-4(抽速为4L/s)真空泵时,过程的当量膜通量及蒸汽相变热回收率均增大。
随着主蒸发区膜组件管程进液温度的增加,系统的真空度、蒸汽相变热回收率逐渐降低,系统当量膜通量组件增加。在进水温度为85℃时,多效蒸发区原水补充液流量为4.0L/h,系统当量膜通量为32.3kg/(m2·h),相变热回收率可达60%以上;随着多效蒸发区原水补充液流量的增加,系统真空度、当量膜通量与蒸汽相变热回收率均逐渐增加;随着多效蒸发区原水补充液温度的增加,系统真空度、当量膜通量与蒸汽相变热回收率均逐渐降低;随着多效蒸发区膜组件面积的增加,系统真空度逐渐降低,当量膜通量、蒸汽相变热回收率均逐渐增加;随着多效蒸发区膜组件管程循环流量的增加,系统真空度及当量膜通量均增加。
MEMD过程的多效蒸发区能够起到蒸汽的换热冷凝与原水的升温蒸发双重作用,从而提高系统的当量膜通量,降低能耗,因此具有较好的工业化应用前景。